基于聚合物PVT特性等比容積保壓控制方法研究

張盛桂，謝鵬程，何雪濤，丁玉梅，楊衛(wèi)民

（北京化工大學(xué)機電工程學(xué)院，北京100029）

0 前言

聚合物材料從粒料（或粉料）經(jīng)過塑化、填充、壓縮、保壓、冷卻定形成為制品，這是注射成型的一般過程。但是由于材料和模具的多樣性，需要采用不同工藝參數(shù)，如果控制工藝參數(shù)選擇不當(dāng)，無論填充情況理想與否，都會影響最終制品的質(zhì)量，甚至造成廢品。使每次成型的制品保持相同的質(zhì)量、取向、尺寸收縮率，是注射成型控制所要達到的目標(biāo)［1］。為達到這一目標(biāo)，本文提出一種等比容保壓控制方法，即熔融物料在螺桿的推動下進入模腔后，精確控制好保壓壓力，在等比容控制階段物料不再進出模腔，其實質(zhì)就是聚合物的比容積在保壓過程中隨著溫度的冷卻始終保持不變。為實現(xiàn)等比容控制，關(guān)鍵在于保壓壓力的設(shè)置，因此保壓壓力是最關(guān)鍵的過程控制參數(shù)。

Bandreddi等［2］研究了保壓曲線的形狀，通過仿真結(jié)果比較了恒壓保壓、遞增階躍保壓和遞減階躍保壓對制品收縮的影響。其結(jié)果表明，遞減階躍保壓可以形成最均勻的壓力分布，從而帶來最均勻的制品厚度分布。王建等［3］研發(fā)了一種利用聚合物PVT關(guān)系在線控制技術(shù)，利用控制熔體壓力和溫度關(guān)系實現(xiàn)了對熔體比容的控制，從而可以大幅度提高制品質(zhì)量重復(fù)精度。從上述研究可以看出，在保壓過程中，保壓壓力的設(shè)置對制品的最終成型質(zhì)量有著至關(guān)重要的作用。因此，本文基于聚合物的PVT特性曲線，采用修正的雙域Tait方程計算等比容保壓壓力，提出了一種等比容保壓過程的控制方法。

1 PVT控制技術(shù)

聚合物的PVT特性，即壓力、比容、溫度之間的相互關(guān)系，是聚合物材料的本質(zhì)屬性［4］，3個參數(shù)屬于工藝，在聚合物的生產(chǎn)、加工以及應(yīng)用等方面有著十分重要的作用。無論聚合物的狀態(tài)如何，壓力、溫度、比容這3個狀態(tài)參數(shù)都會按照一定的規(guī)律變化，與加工手段和條件無關(guān)。如圖1（a）和（b）分別為結(jié)晶型材料和無定形材料的典型PVT特性，從圖中可以清楚地看出聚合物壓力、溫度和比容之間的關(guān)系。在注射成型過程中，聚合物材料被加熱到熔融態(tài)，并在很高的壓力下注射到模具型腔中，經(jīng)歷了從高溫、高壓到迅速冷卻和壓力下降的過程，之后由熔融態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，同時聚合物材料的各種物性參數(shù)也經(jīng)歷了一連串劇烈的變化，這都和溫度、壓力有很大的關(guān)系。特別是聚合物的比容決定著最終成型制品的性能和質(zhì)量。若最終成型制品的密度太小，會導(dǎo)致強度不夠；若密度不均勻則會產(chǎn)生內(nèi)部殘余應(yīng)力發(fā)生翹曲變形等。

圖1 典型聚合物PVT特性曲線Fig.1 Typical PVT diagrams of polymer

質(zhì)量重復(fù)精度就是評價注塑機精度的一項重要指標(biāo)。研究表明，影響制品質(zhì)量重復(fù)精度的因素很多，但本質(zhì)區(qū)別則是制品中不同比容的差異。PVT關(guān)系特性是高分子材料的固有物理特性，高分子材料由原料經(jīng)過加工成為產(chǎn)品的過程中，材料壓力-溫度-比容參數(shù)持續(xù)變化，而三者之間始終遵循PVT特性規(guī)律。注射成型中無論采用何種過程控制方式都無法脫離對材料PVT關(guān)系的依賴，并可在材料PVT關(guān)系曲線中找到對應(yīng)的加工路徑。如圖2所示，路線1-3-5-7-8為制品“零收縮率”的加工工藝路徑［5］。圖2中，V1、V2的意義將在模擬計算部分給以詳細說明。但是采用這種工藝路線需要較高的注射壓力，另外還要考慮其在工作過程中的壓力損失，這樣就有可能使其所需的注射壓力及鎖模力超出現(xiàn)有注塑機所具備的水平，而使該工藝路線無法實施。因此，在實際加工過程中應(yīng)該采用如圖3所示的A-B-C-D-E-F的工藝路線。在圖3中，A-B-C段是注射充模階段，即物料在螺桿的推動下，流經(jīng)噴嘴、流道后注入并充滿型腔；C-D段是等壓壓縮階段，物料在保壓壓力的作用下繼續(xù)進入型腔以補償物料因冷卻引起的體積收縮；而D-E段是等比容保壓階段，即此時型腔的物料不再增加或減少，隨著型腔溫度的降低，保壓壓力有規(guī)律地減少以保持型腔中的物料不會倒流或者增加；E-F段是常壓冷卻階段。其中，等比容保壓階段是本文研究的重點。

圖2 注射成型加工工藝路線示意圖Fig.2 Process route for injection molding

不同控制方法得到的注塑制品重復(fù)精度之所以存在差別，其根本原因在于所采用的控制方法對材料PVT參數(shù)控制重復(fù)精度的差別。通過提高制品從熔融注射到冷卻成型路徑在PVT圖上的重復(fù)性，從而提升最終制品質(zhì)量重復(fù)精度。為實現(xiàn)這一目標(biāo)，本文提出在注射成型中采取等比容保壓過程控制的方法。

圖3 注射成型聚合物的PVT關(guān)系示意圖Fig.3 PVT relationship of injection molding polymer

2 最佳保壓壓力曲線的確定

修正的雙域的Tait狀態(tài)方程是目前注射成型領(lǐng)域描述聚合物PVT關(guān)系最常用的狀態(tài)方程，主要依托于實驗數(shù)據(jù)，是目前以經(jīng)驗方法建立PVT狀態(tài)方程中精度最高的［6-7］。修正的雙域Tait狀態(tài)方程表達式為：

式中 V（T，P）——在溫度和壓力條件下的比容，cm3／g

V0——在零壓下的比容，cm3／g

C——普適常數(shù)，C＝0.0894

B——材料的壓力敏感度，Pa

因此，本文采用修正的雙域的Tait狀態(tài)方程來研究等比容保壓過程的保壓壓力曲線。

通過計算所選材料的固體比容積值，由此計算出在實際加工中的機筒溫度下所需要的壓力值，若此壓力值超出一般注塑機的注射壓力，則不能采用圖2中的路線1-3-5-7-8“零收縮率”的保壓壓力曲線。此時應(yīng)當(dāng)采用在注塑機最高的保壓壓力下先恒壓保壓一段時間，再進行等比容積保壓。若先進行恒壓保壓時，應(yīng)盡量減少這階段的保壓過程，以使得在等比容積保壓過程中，降低保壓壓力的變化率，增加這種等比容積保壓在實際加工應(yīng)用中的可能性。如圖4（b）所示，壓力變化情況非常迅速，這在實際加工中是難以實現(xiàn)的，所以將采用圖4（a）所示的壓力來模擬保壓過程，降低對機器硬件的要求。

圖4 TPU在等比容積保壓下的壓力曲線Fig.4 Packing pressure profile under isosteric packing for TPU polymer

由上述的分析，計算出在200MPa保壓下，聚合物的比容積隨不同溫度轉(zhuǎn)等比容積保壓變化的曲線，如圖5所示。本文采取以熔體溫度信號為控制信號，溫度為250℃時先用200MPa的壓力進行恒壓保壓，到熔體溫度為235℃開始轉(zhuǎn)等比容積保壓，保壓結(jié)束點的溫度為頂出溫度80℃，然后進行常壓冷卻。聚合物的比容積值V2就由轉(zhuǎn)等比容積保壓的起始點決定，由圖5擬合的一次多項式可得V2＝1.1410cm3／g，而聚氨酯（TPU）聚合物的固體密度為0.90462g／cm3，即比容積為V1＝1.1054cm3／g。而制品的體積收縮率計算公式為：

將V1、V2代入式（2）中，得s＝1.05%。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 選用的聚合物材料

在Moldflow材料庫里選取一種材料為TPU，制造商為美國舒爾曼公司，牌號是620-31。熔體溫度（即機筒溫度）為250℃，模具溫度為60℃。其物性參數(shù)值如表1所示，樣品形狀如圖6所示。

圖5 保壓壓力為200MPa時聚合物比容積變化曲線Fig.5 Curve of polymer specific volume when the packing pressure was 200MPa

圖6 測試樣品的有限元網(wǎng)格圖Fig.6 Finite element mesh map of the test sample

3.2 數(shù)值模擬分析

本文利用成熟的模流分析軟件Moldflow，對PVT等比容控制進行仿真模擬。作為對比，分別進行常壓保壓控制、線性遞減控制和PVT等比容控制的CAE模擬分析。但是在Moldflow里對保壓過程的設(shè)置是壓力（P）-時間（t）曲線，為了能夠?qū)崿F(xiàn)在等比容控制下聚合物壓力（P）-溫度（T）的設(shè)置，本文先進行常壓保壓模擬。在Moldflow模擬分析中，熔體溫度隨時間變化曲線與保壓控制方式無關(guān)。因此，從常壓保壓模擬結(jié)果中可以獲得制品在保壓冷卻過程的溫度（T）-時間（t）變化曲線，并利用這一曲線在Moldflow里將PVT等比容保壓控制所要求壓力（P）-溫度（T）控制過程轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫Γ≒）-時間（t）控制。

表1 TPU的PVT物性參數(shù)Tab.1 PVT parameters of TPU

在制品的保壓過程中，采用TPU熔體溫度為235℃轉(zhuǎn)等比容積保壓，利用修正的雙域Tait方程計算出在等比容積保壓下的壓力變化曲線P（T）。計算過程為，以聚合物在235℃、200MPa下的比容值V2，將冷卻過程中制品的溫度變化值代入Tait方程，這樣就得到了壓力變化曲線P（T）。計算結(jié)果與常壓保壓、線性遞減保壓的設(shè)置如表2所示。其中表2的T（℃）-t（s）變化曲線是在制品的冷卻分析過程中，由制品的體積溫度取平均值而來的。

表2 常壓保壓、線性遞減保壓和PVT等比容積保壓壓力曲線設(shè)置Tab.2 Packing pressure curves set of constant，linear decrease and isosteric PVT packing

模擬結(jié)果如圖7所示，線性遞減比常壓保壓的保壓效果好，變形翹曲量和頂出時的收縮率都明顯減小。而PVT等比容積的保壓效果比這兩種方式的保壓效果都好。另外，從圖7（f）可以看出，制品在澆口附近最大的體積收縮率為0.9375%，這與上文計算得到的體積收縮率s＝1.03%很相近，再一次驗證了等比容積保壓的實效性。從表2可以看出，PVT等比容積保壓曲線的設(shè)置也是線性遞減的，所以PVT等比容積保壓可以看作是線性遞減保壓的特例，是線性遞減保壓中最優(yōu)的，在等比容保壓過程中模腔壓力始終等于保壓壓力?？傊瘸罕汉途€性遞減保壓，PVT等比容保壓有著更好的保壓效果，而且在等比容保壓下制品的體積收縮率可以得到較精確的預(yù)測，這對于注射成型過程控制來說有著非常重大的指導(dǎo)意義。

圖7 不同保壓方式下制品的翹曲變形和頂出時的體積收縮率Fig.7 Warping deformation and the shrinkage of volume rate of the products under different packaging methods

4 結(jié)論

（1）借助Tait方程計算出了在等比容保壓下的壓力-溫度變化曲線；利用Moldflow中冷卻分析結(jié)果中熔體溫度-時間的關(guān)系曲線，將等比容控制過程所要求的保壓壓力-溫度轉(zhuǎn)換為保壓壓力-時間設(shè)置，從而實現(xiàn)等比容保壓過程的模擬；

（2）與常壓保壓控制和線性遞減保壓相比，采用PVT等比容積保壓方法能較大幅度地提高制品的最終質(zhì)量，即降低最終產(chǎn)品的體積收縮率并提高其分布均勻性，降低制品變形翹曲量并使其分布更均勻；

（3）改變現(xiàn)有機型的保壓控制方法，采用PVT等比容積保壓可有效改善制品成型質(zhì)量，為制品精密注射成型工藝參數(shù)優(yōu)化提供了可行的方案。

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